Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
эффект Кикоина - Носкова аналогичен (разумеется, так же, как и в
первом случае, с целым рядом оговорок) поперечному эффекту
Нернста - Эттингсгаузена.
Если соединить накоротко грани образца, на которых
скапливаются носители противоположного знака, то фото-
магнитная э. д. с. создает ток
где N- число квантов света, падающих на 1 см2 полупроводника в 1
сек; ц -квантовый выход фотоэффекта:
Lp и Ln - диффузионная длина дырок и электронов; I - длина
образца в направление тока.
Фотомагнитная э. д. с. (холостого хода) может быть найдена
путем умножения тока короткого замыкания /ф" на сопротивление
образца с учетом его уменьшения за счет появления фотоносителей.
Вентильный фотоэффект. Вентильным фотоэффектом называют
фото-э. д. с., возникающую при освещении вентильного (т. е.
выпрямляющего) контакта. Выпрямляющими свойствами обладают
запорный слой на границе полупроводника и металла и р-п переход.
Полупроводниковые приборы, основанные на вентильном
фотоэффекте и предназначенные для превращения световой энергии
в электрическую или световых сигналов в электрические, называют
фотоэлементами. За первым видом фотоэлементов, т. е.
(9.81)
(9.82)
423
основанных на выпрямляющих свойствах контакта полупроводника
и металла, укрепилось название вентильных, вторые обычно
называют фотоэлементами с р-п переходом. Мы здесь рассмотрим
коротко лишь фотоэлемент с р-п переходом.
Напряжение холостого хода. Представим себе п-р переход,
освещаемый светом, энергия квантов которого достаточна для
создания пар электрон - дырка. Предположим, что расстояние
перехода d от поверхности фотоэлемента много меньше
диффузионной длины электронов и что весь свет поглощается
активно в р-области. Поверхностной рекомбинацией мы вначале
пренебрежем *>.
Тогда все электроны, генерируемые светом, будут достигать п-р
перехода и под действием контактного поля переходить в /г-область,
дырки же, напротив, будут задерживаться контактным полем и
оставаться в р-области.
Таким образом, под действием света через р-п переход пойдет
фототок
/ф = eg, (9.83)
где g - число электронов (или, что то же самое, пар), создаваемых
светом в 1 сек.
Этот ток, идущий в запорном направлении, будет создавать на п-
р переходе разность потенциалов V в пропускном направлении
(точнее, уменьшать контактную разность потенциалов) и вследствие
этого через переход потечет ток /у, называемый током утечки, в
обратном направлении:
еУ
ly - h (efcT - 1). (9.84)
Стационарное состояние установится при таком V, при котором
ток утечки будет равен фототоку.
Таким образом, условие стационарности будет иметь вид
eV
хх
/*-/.(e~sr-l) = 0, (9.85)
откуда напряжение холостого хода
^* =-ГГ In (-?-4- 1) • (9-86)
*) При d Ьщ мы можем также пренебречь и объемной рекомбинацией,
424
Вольтамперная характеристика фотоэлемента. Если
фотоэлемент замкнут на сопротивление г, то стационарное состояние
установится при меньшем напряжении V; при этом ток во внешней
цепи будет равен разности фототока /ф и тока утечки /у:
еУ
/ = /ф-/ДеЙТ _1), (9.87)
с другой стороны,
/ = -?- . (9.88)
Уравнения (9.87) и (9.88) совместно дают ток и напряжение
фотоэлемента; из них может быть легко исключено одно из
неизвестных (ток или напряжение), но в обоих случаях мы получаем
трансцендентное уравнение, которое может быть решено только
приближенно. Если исключить из (9.87) и (9.88) ток, то это уравнение
принимает следующий вид:
еУ
-у- = /Ф -(е ftT -1)- (9.89)
Если выразить /ф согласно (9.85) через напряжение
холостого хода и подставить в (9.87), то оно принимает
более простой вид:
eVxx ev
/ = /Де hT -eftT), (9.90)
это, однако, не меняет существенно положения дел: система
уравнений (9.90) и (9.88) по-прежнему остается трансцендентной.
Работа фотоэлемента с р-п переходом в фотодиодном
режиме. Если фотоэлемент используется для регистрации световых
сигналов, то в ряде случаев оказывается полезным включить в его
цепь дополнительный источник э. д. с. U в запорном направлении. С
этой э. д. с. уравнение (9.89) принимает вид
-у- = 1ф - h (е"^"- 1); (9.91)
если напряжение U включено в запорном направлении, то, беря его
достаточно большим, можно сделать темновой ток фотодиода
равным току насыщения. На фототок величина U
425
почти не влияет и даже несколько его увеличивает, так как
увеличивает тянущее поле и уменьшает таким образом потери на
рекомбинацию. В этом состоит большое преимущество фотодиодов
перед фотосопротивлением.
Второе преимущество фотодиода заключается в том, что он
обладает очень малой инерционностью и поэтому удобен для
регистрации коротких сигналов.
Учет рекомбинации. Если учесть и объемную и поверхностную
рекомбинацию, то выражение для фототока принимает вид
/ф = <#(1- Р). (9-92)
где р - коэффициент, учитывающий оба вида рекомбинации и
равный
Wh-у
р = Роб + р, = --Ц--- .
(9-93)
1 + -
где Ln - диффузионная длина в объеме: Ln = '\r Dnхп и Ls -
